第三章电介质物理导论第三章ppt课件.ppt
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1、采用采用PP管及配件:根据给水设计图配置好管及配件:根据给水设计图配置好PP管及配件,用管件在管材垂直角切断管材,边剪边旋转,以保证切口面的圆度,保持熔接部位干净无污物管及配件,用管件在管材垂直角切断管材,边剪边旋转,以保证切口面的圆度,保持熔接部位干净无污物第三章第三章 交变电场中电介质的损耗交变电场中电介质的损耗1.具有慢极化具有慢极化 的电介质在交变电场作用下所表现出的介质特性(极化与的电介质在交变电场作用下所表现出的介质特性(极化与损耗)与电场频率有关损耗)与电场频率有关复介电常数复介电常数*2.导出以松弛极化为典型例证的导出以松弛极化为典型例证的德拜松弛极化与损耗理论德拜松弛极化与损
2、耗理论 与频率和温度的关系与频率和温度的关系3.考虑电场强度考虑电场强度E与电位移与电位移D、电流、电流I(或电流密度(或电流密度j)与电压)与电压U(或电场(或电场强度强度E)之间的相位关系之间的相位关系有功功率损耗有功功率损耗*4.考虑漏导损耗以后,给出了它对松弛极化产生的附加影响考虑漏导损耗以后,给出了它对松弛极化产生的附加影响*5.有损耗电介质的等效电路的计算方法有损耗电介质的等效电路的计算方法交变电场作用下电介质的特性交变电场作用下电介质的特性复介电常数复介电常数*、 tgtg采用采用PP管及配件:根据给水设计图配置好管及配件:根据给水设计图配置好PP管及配件,用管件在管材垂直角切断
3、管材,边剪边旋转,以保证切口面的圆度,保持熔接部位干净无污物管及配件,用管件在管材垂直角切断管材,边剪边旋转,以保证切口面的圆度,保持熔接部位干净无污物31复介电常数和复折射率复介电常数和复折射率 3.1.1 复介电常数复介电常数1.1.平行板真空电容器平行板真空电容器的静电容量:的静电容量: C C0 00 0S Sd d。加上角频率为加上角频率为2f2f的交流电压:的交流电压:则在电极上出现电荷则在电极上出现电荷Q QC C0 0V V,并且与外加电压同相位。,并且与外加电压同相位。 采用采用PP管及配件:根据给水设计图配置好管及配件:根据给水设计图配置好PP管及配件,用管件在管材垂直角切
4、断管材,边剪边旋转,以保证切口面的圆度,保持熔接部位干净无污物管及配件,用管件在管材垂直角切断管材,边剪边旋转,以保证切口面的圆度,保持熔接部位干净无污物由此可见,由此可见,电路中电流与外加电压差电路中电流与外加电压差9090o o相位相位,见图,见图3131。I电路电流为电荷电路电流为电荷Q Q对时间的导数:对时间的导数:EidViS1VdSiSIj000 采用采用PP管及配件:根据给水设计图配置好管及配件:根据给水设计图配置好PP管及配件,用管件在管材垂直角切断管材,边剪边旋转,以保证切口面的圆度,保持熔接部位干净无污物管及配件,用管件在管材垂直角切断管材,边剪边旋转,以保证切口面的圆度,
5、保持熔接部位干净无污物2.2.对于对于理想绝缘的介质理想绝缘的介质,相对介电常数为,相对介电常数为r r显然此时的电容量具有新的值显然此时的电容量具有新的值C Cr rC C0 0,相应的电流变为:,相应的电流变为:此时,电流与电压仍然相差此时,电流与电压仍然相差9090o o相位。相位。E Ei ij jI IC CV Vi ie eC CV Vi id dt tQ Qd dI Ir r0 0r rt ti i0 0 E Ei ij j0 0 3. 如果如果电介质是弱电导性的电介质是弱电导性的,存在一定的电导,那么,电容,存在一定的电导,那么,电容器就不再是理想的电容器,于是,电流对电压的相
6、位就不会恰器就不再是理想的电容器,于是,电流对电压的相位就不会恰好相差好相差9090o o。因为此时增加了一个与电压同相位的电导分量。因为此时增加了一个与电压同相位的电导分量GVGV,故总的电流为两部分电流的和:故总的电流为两部分电流的和: I=iCV+GV=(iC+G)V此时电流与电压的关系电流与电压的关系如图32所示。介质电导引起介质电导引起由交变电场引起由交变电场引起SIj dVEdSG dSC0r E)i (jor 0j=E0r I=iCV+GV=(iC+G)V采用采用PP管及配件:根据给水设计图配置好管及配件:根据给水设计图配置好PP管及配件,用管件在管材垂直角切断管材,边剪边旋转,
7、以保证切口面的圆度,保持熔接部位干净无污物管及配件,用管件在管材垂直角切断管材,边剪边旋转,以保证切口面的圆度,保持熔接部位干净无污物 在交变电场中电介质的特性参数为在交变电场中电介质的特性参数为* *和和* *,它们都与电场频,它们都与电场频率有关,这一点与电介质处于恒定电场中的介电常数和稳态电导率率有关,这一点与电介质处于恒定电场中的介电常数和稳态电导率有着本质上的差别。有着本质上的差别。Ej* 由由定义复电导率定义复电导率Eij* 由由定义复介电常数定义复介电常数 ii*则则采用采用PP管及配件:根据给水设计图配置好管及配件:根据给水设计图配置好PP管及配件,用管件在管材垂直角切断管材,
8、边剪边旋转,以保证切口面的圆度,保持熔接部位干净无污物管及配件,用管件在管材垂直角切断管材,边剪边旋转,以保证切口面的圆度,保持熔接部位干净无污物 为了便于考察在交变电场作用下电介质的性质,引入复介为了便于考察在交变电场作用下电介质的性质,引入复介电常数电常数* *,分成实部与虚部,且引入两个实数,分成实部与虚部,且引入两个实数和和于是于是* *可表示成可表示成 *= i (39)= = ; =/=/ 其中,第一项其中,第一项( (包含包含)和第二项和第二项( (包含包含)分别为复介电分别为复介电常数的实部和虚部。均与常数的实部和虚部。均与有关,有关, 与极化响应的快慢有关,与极化响应的快慢有
9、关, =/=/。 i*复介电常数复介电常数采用采用PP管及配件:根据给水设计图配置好管及配件:根据给水设计图配置好PP管及配件,用管件在管材垂直角切断管材,边剪边旋转,以保证切口面的圆度,保持熔接部位干净无污物管及配件,用管件在管材垂直角切断管材,边剪边旋转,以保证切口面的圆度,保持熔接部位干净无污物r*= ri r (310) 从相位关系上分析式从相位关系上分析式(39)(39)或式或式(3l0)(3l0)可知,可知,或或r r对应于损耗项,对应于损耗项,或或r r对应于电容项。对应于电容项。*= i 复相对介电常数复相对介电常数r r* * (complex relative dielec
10、tric constant) (complex relative dielectric constant) 采用采用PP管及配件:根据给水设计图配置好管及配件:根据给水设计图配置好PP管及配件,用管件在管材垂直角切断管材,边剪边旋转,以保证切口面的圆度,保持熔接部位干净无污物管及配件,用管件在管材垂直角切断管材,边剪边旋转,以保证切口面的圆度,保持熔接部位干净无污物再由图再由图3232看出,看出,1.1.与电压同相位的损耗电流分量与电压同相位的损耗电流分量(I(Il lGV)GV),2.2.电容电流分量(电容电流分量(I Ic ci CVi CV)3.3.合成电流合成电流I II Ic c与与
11、I I之间形成一个之间形成一个角角介质损耗角介质损耗角(dielectric loss (dielectric loss angle).angle).或表示为:电容项电容项损耗项损耗项电容电流电容电流损耗电流损耗电流 CGIItgclrrtg IIcI Il l:损耗因素损耗因素(dielectric loss factor)(dielectric loss factor),r r:相对损耗因数相对损耗因数(relative dielectric loss factor)(relative dielectric loss factor); :介电常数介电常数r r:相对介电常数,相对介电常数,
12、 它们都依赖于频率,只有当它们都依赖于频率,只有当00,才是静态介电常数。才是静态介电常数。 采用采用PP管及配件:根据给水设计图配置好管及配件:根据给水设计图配置好PP管及配件,用管件在管材垂直角切断管材,边剪边旋转,以保证切口面的圆度,保持熔接部位干净无污物管及配件,用管件在管材垂直角切断管材,边剪边旋转,以保证切口面的圆度,保持熔接部位干净无污物由于由于j jii* *E E,当把式,当把式(39)(39)代入后,即得代入后,即得到下列表达式:到下列表达式:*= i (39) 式中,含式中,含的项与电场强度同相位,含的项与电场强度同相位,含的项与电场强度的项与电场强度差差90o相位。相位
13、。=/ (314) 采用采用PP管及配件:根据给水设计图配置好管及配件:根据给水设计图配置好PP管及配件,用管件在管材垂直角切断管材,边剪边旋转,以保证切口面的圆度,保持熔接部位干净无污物管及配件,用管件在管材垂直角切断管材,边剪边旋转,以保证切口面的圆度,保持熔接部位干净无污物(320))2xft(2iexpeEEx0 )2xft(2iexpeHHx0 3.1.2 电磁波在介质中的传播及复折射率电磁波在介质中的传播及复折射率 为衰减常数为衰减常数 为相位常数为相位常数电磁波在介质中的传播方程电磁波在介质中的传播方程采用采用PP管及配件:根据给水设计图配置好管及配件:根据给水设计图配置好PP管
14、及配件,用管件在管材垂直角切断管材,边剪边旋转,以保证切口面的圆度,保持熔接部位干净无污物管及配件,用管件在管材垂直角切断管材,边剪边旋转,以保证切口面的圆度,保持熔接部位干净无污物(1)(1)当当x x一定时,电磁场强度对时间一定时,电磁场强度对时间(t)(t)呈周期性变化呈周期性变化,其周期其周期T为为(2)(2)波长:波长: 电磁波在介质中的传播具有如下一些特性:电磁波在介质中的传播具有如下一些特性:相位相差相位相差2的位置呈相同波形的位置呈相同波形位置相差波长位置相差波长 ,n2x n2x采用采用PP管及配件:根据给水设计图配置好管及配件:根据给水设计图配置好PP管及配件,用管件在管材
15、垂直角切断管材,边剪边旋转,以保证切口面的圆度,保持熔接部位干净无污物管及配件,用管件在管材垂直角切断管材,边剪边旋转,以保证切口面的圆度,保持熔接部位干净无污物(3 3)波速:波速:(4)(4)电磁场的绝对值以电磁场的绝对值以 的比例衰减的比例衰减。这里的。这里的 表示吸收。表示吸收。f2fTv 或:或:n)2xft( 时,相位相同,距离相差时,相位相同,距离相差x,传播时间要经过时间,传播时间要经过时间t2dxvffdt xe 在以在以* *和和* *表征的介质材料中的传播,具有一个复速度表征的介质材料中的传播,具有一个复速度 电磁波在以电磁波在以0 0和和0 0表征的表征的真空中的传播速
16、度真空中的传播速度则为则为 C C(0 00 0) )1/21/2=3=310108 8米米/ /秒。秒。 2/1*)(v 采用采用PP管及配件:根据给水设计图配置好管及配件:根据给水设计图配置好PP管及配件,用管件在管材垂直角切断管材,边剪边旋转,以保证切口面的圆度,保持熔接部位干净无污物管及配件,用管件在管材垂直角切断管材,边剪边旋转,以保证切口面的圆度,保持熔接部位干净无污物 折射率折射率(refractive index)(refractive index):电磁波在真:电磁波在真空中的传播速度空中的传播速度v v0 0和在介质中传播速度和在介质中传播速度v v* *之比之比。复折射率
17、:复折射率:ikn)(vvn2/100*0* 式中式中n与与k分别为复折射率的实部与虚部中的分别为复折射率的实部与虚部中的两个实数两个实数采用采用PP管及配件:根据给水设计图配置好管及配件:根据给水设计图配置好PP管及配件,用管件在管材垂直角切断管材,边剪边旋转,以保证切口面的圆度,保持熔接部位干净无污物管及配件,用管件在管材垂直角切断管材,边剪边旋转,以保证切口面的圆度,保持熔接部位干净无污物这个复数关系式(式这个复数关系式(式322)就是著名的)就是著名的麦克斯韦关系式麦克斯韦关系式。 式(式(3-21)可简化为)可简化为iknirr 采用采用PP管及配件:根据给水设计图配置好管及配件:根
18、据给水设计图配置好PP管及配件,用管件在管材垂直角切断管材,边剪边旋转,以保证切口面的圆度,保持熔接部位干净无污物管及配件,用管件在管材垂直角切断管材,边剪边旋转,以保证切口面的圆度,保持熔接部位干净无污物rrtg 采用采用PP管及配件:根据给水设计图配置好管及配件:根据给水设计图配置好PP管及配件,用管件在管材垂直角切断管材,边剪边旋转,以保证切口面的圆度,保持熔接部位干净无污物管及配件,用管件在管材垂直角切断管材,边剪边旋转,以保证切口面的圆度,保持熔接部位干净无污物 在没有损耗的电介质中,则有在没有损耗的电介质中,则有 或或即:即:相对介电常数等于折射率的平方相对介电常数等于折射率的平方
19、。在第一章中我们实际上在。在第一章中我们实际上在许多场合下已经引用了式(许多场合下已经引用了式(327327)所表示的关系()所表示的关系(p21p21、2626)。)。 rnrn2采用采用PP管及配件:根据给水设计图配置好管及配件:根据给水设计图配置好PP管及配件,用管件在管材垂直角切断管材,边剪边旋转,以保证切口面的圆度,保持熔接部位干净无污物管及配件,用管件在管材垂直角切断管材,边剪边旋转,以保证切口面的圆度,保持熔接部位干净无污物在交变电场中的电介质,由于复相对介电常数在交变电场中的电介质,由于复相对介电常数r r与频率有与频率有关,故折射率关,故折射率n n亦随频率变化,称为。亦随频
20、率变化,称为。 “ “交流电场中电介质介电常数随频率变化的现象,交流电场中电介质介电常数随频率变化的现象,在介质理论中常称为或简称在介质理论中常称为或简称“弥散弥散”(dispersion)(dispersion)。这种现象。这种现象的本质,就在于电极化的建立需要一个过程,换句话说,由于极的本质,就在于电极化的建立需要一个过程,换句话说,由于极化的惯性或滞后性,在不同频率电场中,极化可能来不及响应或化的惯性或滞后性,在不同频率电场中,极化可能来不及响应或完全来不及响应电场的变化。完全来不及响应电场的变化。色散现象色散现象弥散现象弥散现象32 介质损耗介质损耗 研究介质损耗问题,实质上就是研究能
21、量转换问题。研究介质损耗问题,实质上就是研究能量转换问题。定义:定义:电介质在单位时间内每单位体积中,将电能转化为热能电介质在单位时间内每单位体积中,将电能转化为热能( (以发热形式以发热形式) )而消耗的能量。而消耗的能量。 1. 1. 直流电场中,直流电场中, VEdSdEGUUIWvvRU22222单位时间内每单位体积所消耗的能量为单位时间内每单位体积所消耗的能量为 : : w wv vE E2=2=jEjE。 耗能耗能:采用采用PP管及配件:根据给水设计图配置好管及配件:根据给水设计图配置好PP管及配件,用管件在管材垂直角切断管材,边剪边旋转,以保证切口面的圆度,保持熔接部位干净无污物
22、管及配件,用管件在管材垂直角切断管材,边剪边旋转,以保证切口面的圆度,保持熔接部位干净无污物 储能储能: :静介电常数为静介电常数为s s的电介质的电介质 在静电场中所储存的静电能密度:在静电场中所储存的静电能密度:VEdEdSCUWrr202202212121单位体积中的储能:单位体积中的储能: 由此可见,无论是储存的能量密度还是消耗的能量密度,由此可见,无论是储存的能量密度还是消耗的能量密度,其大小均与直流静电场的电介质特性参数有关,因此,不必其大小均与直流静电场的电介质特性参数有关,因此,不必考虑与电场变化频率的关系。考虑与电场变化频率的关系。采用采用PP管及配件:根据给水设计图配置好管
23、及配件:根据给水设计图配置好PP管及配件,用管件在管材垂直角切断管材,边剪边旋转,以保证切口面的圆度,保持熔接部位干净无污物管及配件,用管件在管材垂直角切断管材,边剪边旋转,以保证切口面的圆度,保持熔接部位干净无污物 与频率有关的介质特性参数与频率有关的介质特性参数复电导率与复介电常数。复电导率与复介电常数。 在交变电场中,各相关矢量在交变电场中,各相关矢量( (I I、j j、V V、E E) )可能出现相位可能出现相位差的关系,因此,在讨论交变场的介质损耗问题,必然应从研差的关系,因此,在讨论交变场的介质损耗问题,必然应从研究电介质的动态行为入手。究电介质的动态行为入手。2.2.交变电场中
24、交变电场中ii*采用采用PP管及配件:根据给水设计图配置好管及配件:根据给水设计图配置好PP管及配件,用管件在管材垂直角切断管材,边剪边旋转,以保证切口面的圆度,保持熔接部位干净无污物管及配件,用管件在管材垂直角切断管材,边剪边旋转,以保证切口面的圆度,保持熔接部位干净无污物正弦交变电场正弦交变电场: 电容电流超前于电压的相角小于电容电流超前于电压的相角小于/2/2, 介质极化的滞后性介质极化的滞后性D D与与E E在时间上有一个明显的相位差在时间上有一个明显的相位差 D DEE的关系式不再适用。的关系式不再适用。电容器的电容量也不能再用电容器的电容量也不能再用C Cr rC C0 0的简单公
25、式。的简单公式。采用采用PP管及配件:根据给水设计图配置好管及配件:根据给水设计图配置好PP管及配件,用管件在管材垂直角切断管材,边剪边旋转,以保证切口面的圆度,保持熔接部位干净无污物管及配件,用管件在管材垂直角切断管材,边剪边旋转,以保证切口面的圆度,保持熔接部位干净无污物 设在平行平板介质电容器上,加上正弦交变电场:设在平行平板介质电容器上,加上正弦交变电场: EE0cost (328)这部分能量以这部分能量以w表示,那么:表示,那么:介质损耗的定义:电介质在单位时间内每单位体积所介质损耗的定义:电介质在单位时间内每单位体积所 损失的能量。损失的能量。wjE采用采用PP管及配件:根据给水设
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